En kort tidshistoria | bok skriven av vetenskapsmannen och matematikern Stephen Hawking

Sammanfattning

I den här boken talar Hawking om många teorier inom fysiken. Några av de saker han talar om är fysikens historia, gravitation, hur ljuset rör sig i universum, rumtid, elementarpartiklar (mycket små föremål som utgör saker i universum), svarta hål, Big Bang (teorin om att universum startade från en punkt) och tidsresor (idén om att man kan resa till det förflutna och till framtiden).

I den första delen av boken talar Hawking om fysikens historia. Han talar om idéer från filosofer som Aristoteles och Ptolemaios. Aristoteles trodde, till skillnad från många andra människor på sin tid, att jorden var rund. Han trodde också att solen och stjärnorna gick runt jorden. Ptolemaios tänkte också på hur solen och stjärnorna var placerade i universum. Han gjorde en planetmodell som beskrev Aristoteles tänkande. Idag vet man att det motsatta är sant; jorden går runt solen. Aristoteles/Ptolemaios idéer om stjärnornas och solens position motbevisades 1609. Den person som först kom på idén om att jorden går runt solen var Nikolaj Kopernikus. Galileo Galilei Galilei och Johannes Kepler, två andra vetenskapsmän, hjälpte till att bevisa att Copernicus idé var riktig. De tittade på hur vissa planeters månar rörde sig på himlen och använde detta för att bevisa att Kopernikus hade rätt. Isaac Newton skrev också en bok om gravitation, vilket hjälpte till att bevisa att Kopernikus idé hade rätt.

Rymd och tid

Hawking beskriver hur planeterna rör sig runt solen och hur gravitationen fungerar mellan planeterna och solen. Han talar också om idéerna om absolut vila och absolut position. Dessa idéer handlar om tanken att händelser förblir på samma plats under en tidsperiod. Detta visade sig inte vara sant genom Newtons gravitationslagar. Idén om absolut vila fungerade inte när objekt rör sig mycket snabbt (med ljusets hastighet, eller ljusets hastighet).

Ljusets hastighet mättes första gången 1676 av den danske astronomen Ole Christensen Roemer. Ljusets hastighet visade sig vara mycket snabb, men med en begränsad hastighet. Forskarna fann dock ett problem när de försökte säga att ljuset alltid färdas med samma hastighet. Forskarna skapade en ny idé, kallad etern, som försökte förklara ljusets hastighet.

Albert Einstein sa att idén om etern inte behövdes om en annan idé, idén om absolut tid (eller tid som alltid är densamma), slopades. Einsteins idé var också densamma som Henry Poincares idé. Einsteins idé kallas relativitetsteorin.

Hawking talar också om ljus. Han säger att händelser kan beskrivas med hjälp av ljuskottar. Ljuskäglans topp anger vart ljuset från händelsen kommer att färdas. Den nedre talar om var ljuset befann sig i det förflutna. Ljuskonens centrum är händelsen. Förutom ljuskäglor talar Hawking också om hur ljuset kan böjas. När ljuset passerar förbi en stor massa, som en stjärna, ändrar ljuset något riktning mot massan.

Efter att ha talat om ljus talar Hawking om tid i Einsteins relativitetsteori. En av förutsägelserna i Einsteins teori är att tiden går långsammare när något befinner sig i närheten av enorma massor. När något befinner sig längre bort från massan kommer tiden dock att gå snabbare. Hawking använde idén om två tvillingar som bor på olika platser för att beskriva sin idé. Om en av tvillingarna bodde på ett berg och en annan tvilling bodde nära havet, skulle tvillingen som bodde på berget vara lite äldre än tvillingen som bodde vid havet.

Det expanderande universum

Hawking talar om det expanderande universum. Universum blir större med tiden. En av de saker han använder för att förklara sin idé är Dopplerförskjutningen. Dopplerförskjutningen sker när något rör sig mot eller bort från ett annat objekt. Det finns två typer av saker som händer vid dopplerförskjutning - rödförskjutning och blåförskjutning. Rödförskjutning sker när något rör sig bort från oss. Detta orsakas av att våglängden för det synliga ljuset som når oss ökar och frekvensen minskar, vilket förskjuter det synliga ljuset mot den röda/ infraröda änden av det elektromagnetiska spektrumet. Rödförskjutning är kopplad till tron att universum expanderar när ljusets våglängd ökar, nästan som om det sträcks ut när planeter och galaxer rör sig bort från oss, vilket har likheter med Dopplereffekten, som gäller ljudvågor. Blåförskjutning sker när något rör sig mot oss, den motsatta processen till rödförskjutning, där våglängden minskar och frekvensen ökar, vilket förskjuter ljuset mot den blå änden av spektrumet. En forskare vid namn Edwin Hubble upptäckte att många stjärnor är rödförskjutna och rör sig bort från oss. Hawking använder Dopplerförskjutningen för att förklara att universum blir större. Man tror att universums början skedde genom något som kallas Big Bang. Big Bang var en mycket stor explosion som skapade universum.

Osäkerhetsprincipen

Osäkerhetsprincipen säger att en partikels hastighet och position inte kan fastställas samtidigt. För att ta reda på var en partikel befinner sig lyser forskarna på partikeln med ljus. Om ett högfrekvent ljus används kan ljuset hitta positionen mer exakt, men partikelns hastighet kommer att vara okänd (eftersom ljuset ändrar partikelns hastighet). Om ett ljus med lägre frekvens används kan ljuset hitta hastigheten mer exakt, men partikelns position kommer att vara okänd. Osäkerhetsprincipen motbevisade idén om en teori som var deterministisk, eller något som skulle förutsäga allt i framtiden.

Hur ljuset beter sig diskuteras också mer ingående i det här kapitlet. Vissa teorier säger att ljuset beter sig som partiklar trots att det egentligen består av vågor. En teori som säger detta är Plancks kvanthypotes. En annan teori säger också att ljusvågor också beter sig som partiklar; en teori som säger detta är Heisenbergs osäkerhetsprincip.

Ljusvågor har toppar och dalar. Den högsta punkten på en våg är krönet och den lägsta delen av vågen är ett dal. Ibland kan fler än en av dessa vågor interferera med varandra - topparna och dalarna ligger i linje med varandra. Detta kallas ljusinterferens. När ljusvågor interfererar med varandra kan detta ge upphov till många färger. Ett exempel på detta är färgerna i såpbubblor.

Elementarpartiklar och naturkrafter

Kvarkar är mycket små saker som utgör allt vi ser (materia). Det finns sex olika "smaker" av kvarkar: upp-, ned-, strange-, charmerad-, botten- och toppkvark. Kvarkar har också tre "färger": rött, grönt och blått. Det finns också anti-kvarkar, som är motsatsen till de vanliga kvarkarna. Totalt finns det 18 olika typer av reguljära kvarkar och 18 olika typer av antikvarkar. Quarks kallas "materiens byggstenar" eftersom de är det minsta som utgör all materia i universum.

Alla elementarpartiklar (t.ex. kvarkarna) har något som kallas spin. Spinnet hos en partikel visar hur en partikel ser ut från olika håll. En partikel med spinn 0 ser till exempel likadan ut från alla håll. En partikel med spinn 1 ser annorlunda ut från alla håll, om inte partikeln snurras helt runt (360 grader). Hawkings exempel på en partikel med spinn 1 är en pil. En partikel med spinn två måste vridas runt halvvägs (eller 180 grader) för att se likadan ut. Det exempel som ges i boken är en dubbelspetsad pil. Det finns två grupper av partiklar i universum: partiklar med spinn 1/2 och partiklar med spinn 0, 1 eller 2. Alla dessa partiklar följer Paulis uteslutningsprincip. Paulis uteslutningsprincip säger att partiklar inte kan befinna sig på samma plats eller ha samma hastighet. Om Paulis uteslutningsprincip inte fanns skulle allt i universum se likadant ut, som en ungefär likformig och tät "soppa".

Partiklar med spinn 0, 1 eller 2 förflyttar kraft från en partikel till en annan. Några exempel på dessa partiklar är virtuella gravitoner och virtuella fotoner. Virtuella gravitoner har ett spinn på 2 och de representerar gravitationskraften. Detta innebär att när gravitationen påverkar två saker rör sig gravitoner till och från de två sakerna. Virtuella fotoner har ett spinn på 1 och representerar elektromagnetiska krafter (eller den kraft som håller ihop atomer).

Förutom gravitationskraften och de elektromagnetiska krafterna finns det svaga och starka kärnkrafter. Svaga kärnkrafter är de krafter som orsakar radioaktivitet, eller när materia avger energi. Den svaga kärnkraften verkar på partiklar med ett spinn på 1/2. Starka kärnkrafter är de krafter som håller ihop kvarkarna i en neutron och en proton, och håller ihop protoner och neutroner i en atom. Partikeln som bär den starka kärnkraften tros vara en gluon. Gluon är en partikel med spinnet 1. Gluonerna håller ihop kvarkarna för att bilda protoner och neutroner. Gluonerna håller dock bara ihop kvarkar som har tre olika färger. Detta gör att slutprodukten inte har någon färg. Detta kallas för inneslutning.

Vissa forskare har försökt skapa en teori som kombinerar den elektromagnetiska kraften, den svaga kärnkraften och den starka kärnkraften. Denna teori kallas en stor enhetlig teori (eller GUT). Denna teori försöker förklara dessa krafter på ett stort enhetligt sätt eller i en stor enhetlig teori.

Svarta hål

Svarta hål är stjärnor som har kollapsat till en mycket liten punkt. Denna lilla punkt kallas singularitet.Singulariteten är en punkt i rumtiden som roterar med hög hastighet.Det är därför svarta hål saknar tid. Svarta hål suger in saker i sitt centrum eftersom dess gravitation är mycket stark. Några av de saker som det kan suga in är ljus och stjärnor. Endast mycket stora stjärnor, så kallade supergiganter, är tillräckligt stora för att bli ett svart hål. Stjärnan måste vara en och en halv gång solens massa eller större för att bli ett svart hål. Denna siffra kallas Chandrasekhar-gränsen. Om stjärnans massa är mindre än Chandrasekhar-gränsen kommer den inte att förvandlas till ett svart hål, utan i stället kommer den att förvandlas till en annan, mindre typ av stjärna. Gränsen för det svarta hålet kallas händelsehorisonten. Om något befinner sig i händelsehorisonten kommer det aldrig att komma ut ur det svarta hålet.

Svarta hål kan ha olika former. Vissa svarta hål är helt sfäriska - som en boll. Andra svarta hål böljar ut i mitten. Svarta hål är sfäriska om de inte roterar. Svarta hål böljar ut i mitten om de roterar.

Svarta hål är svåra att hitta eftersom de inte släpper ut något ljus. De kan hittas när svarta hål suger in andra stjärnor. När svarta hål suger in andra stjärnor släpper det svarta hålet ut röntgenstrålar som kan ses av teleskop. Hawking berättar om sitt vad med en annan forskare, Kip Thorne. Hawking slog vad om att svarta hål inte existerade, eftersom han inte ville att hans arbete om svarta hål skulle gå till spillo. Han förlorade vadet.

Hawking insåg att ett svart håls händelsehorisont bara kan bli större, inte mindre. Området för ett svart håls händelsehorisont blir större när något faller in i det svarta hålet. Han insåg också att när två svarta hål kombineras är storleken på den nya händelsehorisonten större än eller lika med summan av de två andra svarta hålens händelsehorisonter. Detta innebär att ett svart håls händelsehorisont aldrig kan bli mindre.

Oordning, även känd som entropi, är relaterad till svarta hål. Det finns en vetenskaplig lag som har med entropi att göra. Denna lag kallas termodynamikens andra lag och säger att entropin (eller oordningen) alltid kommer att öka i ett isolerat system (t.ex. universum). Sambandet mellan mängden entropi i ett svart hål och storleken på det svarta hålets händelsehorisont tänktes först av en forskarstuderande (Jacob Bekenstein) och bevisades av Hawking, vars beräkningar visade att svarta hål avger strålning. Detta var märkligt, eftersom det redan hade sagts att ingenting kan fly från ett svart håls händelsehorisont.

Detta problem löstes när man började tänka på par av "virtuella partiklar". Den ena partikeln skulle falla in i det svarta hålet och den andra skulle fly. Detta skulle se ut som om det svarta hålet avgav partiklar. Denna idé verkade först märklig, men många människor accepterade den efter ett tag.

Universums ursprung och öde

De flesta forskare tror att universum började i en explosion som kallas Big Bang. Modellen för detta kallas "den heta big bang-modellen". När universum börjar bli större börjar också sakerna inuti det bli kallare. När universum först började var det oändligt varmt. Universums temperatur svalnade och sakerna inuti universum började klumpa ihop sig.

Hawking talar också om hur universum kunde ha varit. Om universum till exempel bildades och sedan kollapsade snabbt skulle det inte finnas tillräckligt med tid för att liv skulle kunna bildas. Ett annat exempel skulle vara ett universum som expanderade för snabbt. Om ett universum expanderade för snabbt skulle det bli nästan tomt. Idén om många universum kallas för tolkningen av många världar.

Inflationsmodeller diskuteras också i detta kapitel, liksom idén om en teori som förenar kvantmekanik och gravitation.

Varje partikel har många historier. Denna idé är känd som Feynmans teori om summan över historier. En teori som förenar kvantmekanik och gravitation bör innehålla Feynmans teori. För att hitta chansen att en partikel kommer att passera genom en punkt måste varje partikels vågor summeras. Dessa vågor sker i imaginär tid. Imaginära tal ger, när de multipliceras med sig själva, ett negativt tal. Till exempel 2i X 2i = -4.

 
En bild av ett svart hål och hur det förändrar ljuset runt omkring det.  


Detta är en proton. Den består av tre kvarkar. Alla kvarkerna har olika färger på grund av att de är instängda.  


En partikel med spinn 1 måste vändas helt och hållet för att se likadan ut igen, som denna pil.  


Ljusinterferens gör att många färger uppstår.  


Här är en bild av en ljusvåg.  


Big Bang och universums utveckling visas här. Bilden visar hur universum expanderar med tiden.  


Detta är en lätt kon  


Einstein sa att tiden inte är absolut eller alltid densamma.  


En bild av vad Ptolemaios trodde om planeternas, stjärnornas och solens placering.  

Andra utgåvor

• 1988 - Den första upplagan publiceras. Denna utgåva hade en introduktion av Carl Sagan.
• 1990 - Liknande 1996 men med en introduktion av Carl Sagan, ofärgade bilder, och den trycktes i pocket.
• 1996 - En illustrerad, uppdaterad och utökad utgåva publiceras, kallad The Illustrated A Brief History of Time. Denna inbundna utgåva innehåller illustrationer och fotografier i färg som hjälper till att förklara texten. Den innehåller också ämnen som inte fanns med i den ursprungliga boken, bland annat ett nytt kapitel om maskhål och tidsresor.
• 1998 - Den tionde jubileumsutgåvan publiceras. Den har samma text som den som publicerades 1996, men den gavs också ut som pocketbok och har färre diagram.
• 2005 - Utgivningen av A Brunder History of Time (skriven tillsammans med Leonard Mlodinow), som är en kortare version av den ursprungliga boken. Den uppdaterades igen för att inkludera ny vetenskaplig utveckling...